رآکتورهای شیمیایی (Chemical Reactors)

رآکتور شیمیایی دستگاهی است که در آن واکنش یا واکنش های شیمیایی نظیر تبدیل، ترکیب یا تجزیه به منظور تولید مواد مورد نظر انجام می شود.طبق قرارداد دستگاهی که در آن واکنش سوختن به منظور تولید انرژی انجام می شود، رآکتور نیست.

در یک واحد صنایع شیمیایی مواد خام ابتدا از یک رشته فرآیندهای تغییر فیزیکی اولیه از قبیل جداسازی، مخلوط کردن و ... عبور می کنند تا آماده ورود به مرحله بعدی یعنی تغییرات شیمیایی شوند. در این مرحله به کمک رآکتور یا راکتورهای مناسب واکنش های شیمیایی مورد نظر انجام و محصول تهیه می شود. به دلیل انجام بعضی از واکنش های ناخواسته  یا وجود مقداری از مواد خام که در رآکتور فرصت انجام واکنش نداشته و همراه محصول از رآکتور خارج شده اند، این محصول غالبا قابل عرضه به بازار نمی باشد و لازم است عملیات فیزیکی نهایی از قبیل جداسازی، خالص سازی و... بروی آن انجام شود. در صنایع شیمیایی، آن بخش از عملیات شیمیایی که در رآکتورها صورت می گیرد مهمترین و حساس ترین عملیات کارخانه محسوب می گردد.

« تقسیم بندی رآکتورها»

براساس دیدگاه های متفاوت، تقسیم بندی های متنوعی برای رآکتورهای شیمیایی انجام شده است. یکی از مهمترین مشخصه های واکنش های شیمیایی  تعداد و نوع فازهایی است که واکنش در آن صورت می گیرد. بر این مبنا می توان رآکتورهای شیمیایی را نیز تقسیم بندی نمود. این تقسیم بندی در زیر آمده است:

1) رآکتورهای تک فازی:

در این رآکتورها واکنش در فاز گاز یا در فاز مایع انجام می شود

2) رآکتورهای چند فازی:

در این رآکتورها واکنش میان فازهای گاز و مایع یا میان دو فاز مایع یا میان فازهای سیال و جامد انجام می شود

 - تقسیم بندی دیگر رآکتورها براساس نوع عملیات آن ها است. این تقسیم بندی به شکل زیر است:

1) رآکتورهای ناپیوسته(Batch Reactors):

مثل رآکتور تولید پلی کلرید وینیل(PVC) از طریق پلیمر کردن کلرید وینیل

2) رآکتورهای پیوسته یا جریان پایدار(Continuous or Steady Flow Reactors):

مثل رآکتور تولید آمونیاک از طریق واکنش میان گازهای هیدروژن و نیتروژن

3) رآکتورهای نیمه پیوسته(Semi Batch Reactors):

مثل رآکتور هیدروژن دار کردن روغن مایع به منظور اشباع آن و تولید روغن جامد

راکتور نیمه پیوسته (Semi Batch Reactor)

راکتورهای نیمه پیوسته نیز همان محدودیت های راکتور ناپیوسته را دارد. از امتیازات راکتور های نیمه پیوسته کنترل خوب حرارت و کنترل واکنش های نامطلوب و محدود کردن تولید محصولات ناخواسته می باشد . این عمل از طریق وارد کردن تدریجی یکی از اجزاء ترکیب شونده با غلظت کم میسر می گردد . راکتور های نیمه پیوسته اغلب برای واکنش های دوفازی که یکی از اجزاء ترکیب شونده گاز باشد مورد استفاده قرار می گیرد و جزء گازی به صورت حباب به داخل فاز مایع درون راکتور تغذیه می گردد .(شکل 4 )     مراحل کارکرد یک راکتور ناپیوسته   راکتور نیمه پیوسته     راکتور نیمه پیوسته

طبقه بندی راکتورها

راکتورها را معمولا با توجه به 3 عامل زیر طبقه بندی می کنند. بر حسب روشی که طی آن مرحله واکنش صورت می‌گیرد (راکتورهای طبقه الف)

• راکتورهای پیوسته: بر حسب مصرف کاتالیست و بر حسب اینکه واکنش در چند فاز صورت می‌گیرد، دو نوعند: همگن و ناهمگن.
  
• راکتورهای نیمه پیوسته: ویژگی ورود پیوسته مواد و خروج پیوسته برخی مواد هستند. راکتورهای خمره‌ای معمولا از این نوع هستند.
  
• راکتورهای ناپیوسته: برای موادی طراحی شده‌اند که در مدت معینی ، طبق برنامه ریزی انجام شده در راکتورها باقی بمانند تا اینکه واکنش کامل شود. اغلب به شکل خمره‌ای و استوانه‌ای هستند.

طبقه بندی بر حسب سیستم تبادل حرارتی که انتخاب شده است (راکتورهای طبقه ب)

راکتورهای آدیاباتیک: طراحی آنها طوری است که در طول مدت کنترل دما ، بدنه راکتور در انتقال گرما شرکت نمی‌کند.
راکتورهای غیر آدیاباتیک: بدنه راکتور در انتقال گرما شرکت می‌کند.

راکتورهای ذکر شده ، در سنتز آمونیاک و اکسیداسیون SO₂ به SO₃ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طبقه بندی بر حسب ویژگی فیزیکی موادی که برای واکنش انتخاب شده‌اند (راکتورهای طبقه ج)

راکتورهای واکنش‌های همگن
راکتورهای واکنش‌های ناهمگناگر قرار باشد واکنشی در فاز همگن صورت گیرد بر حسب نوع مراحل از راکتورهای پیوسته یا ناپیوسته طبقه الف استفاده می‌کنند. اما اگر واکنش‌ها در بیش از یک فاز صورت گیرد، گستره راکتورهای مورد مصرف زیاد خوااهد بود. مثلا بر حسب اینکه کاتالیست ، پودر یا گرانول باشد، نوع راکتور فرق خواهد کرد. طبقه‌بندی‌های دیگر

طبقه‌بندی‌های دیگری هم با توجه به وضعیت تغذیه راکتور یا عملیات سینماتیک یا تخلیه مواد شرکت کننده در واکنش وجود دارند. همچنین می‌توان آنها را بر حسب حلال‌ها و رقیق کننده‌ها و ... انتخاب کرد. در هر حال راکتورها را برای اهداف مختلف بر حسب نوع کارخانه و شرایط آن انتخاب می‌کنند.

راکتور لوله ای (Tubular Plug Reactor)

در صنایع شیمیایی برای فرایندهای با مقیاس بزرگ معمولاً از راکتورهای لوله ای استفا ده می شود . زیرا نگهداری سیستم راکتورهای لوله ای آسان می باشد (چون دارای قسمت های متحرک نیستند) و معمولاً بالاترین درصد تبدیل مواد اولیه در واحد حجم راکتور را در مقایسه با سایر راکتورهای سیستم جاری دارا هستند (شکل 12)  نماهایی از راکتور    راکتور لوله ای از محدودیت های این راکتورها مشکل کنترل حرارتی برای واکنش های گرمازایی است که بسیار سریع عمل می کنند و نهایتاً منجر به نقاط داغ Hot Spot می گردند.شکل 14 یک راکتور لوله ای همراه سیستم سرمایشی می باشدکه به علت سرعت زیاد واکنش،با وجود خنک شدن، در مرکز آن نقاط داغ Hot Spot بوجود آمده است. نقاط داغ Hot Spot باعث می شوند که کیفیت محصول کاهش یابد و دستگاه آسیب ببیند.     نمایش نقاط داغ در یک راکتور لوله ای اغلب واکنش های متجانس گازی در این نوع راکتورها انجام می گیرند. در این راکتورها نیز مانند راکتورهای Batch زمان اقامت برای تمام اجزاء سیال مساوی است . سیستم متشکل از تعدادی واحدهای سری از راکتورهای مخلوط شونده Mixed ، عملکردی مشابه با یک راکتور لوله ای دارد. هرچقدر واحدهای پشت سر هم بیشتر باشد، خواص سیستم به حالت لوله ای نزدیکتر است.

انواع رآکتور ها

اغلب فرآیند های تولید مواد ومحصولات شیمیایی توام با تغییر ماهیت شیمیایی مواد اولیه و تبدیل آنها به مواد دیگر می باشد.این تغییر ماهیت ،ناشی از واکنش مواد اولیه است.انجام این تغییرات و واکنش ها در تجهیزاتی به نام راکتور یا واکنش گاه صورت می گیرد.واکنش بین مواد شیمیایی می تواند در فازهای مختلف صورت بگیرد.به عنوان مثال یکی از مواد واکنشگر می تواند مایع و دیگری به شکل گاز یا جامد باشد.اگر واکنشگرها هم فاز باشند واکنش را همگن و اگرواکنشگرها غیر هم فاز باشند واکنش را نا همگن میگویند.در یک واکنش شیمیایی ،به طور همزمان هم ماده مورد نظر تشکیل می شود و هم ممکن است مواد ناخواسته دیگری به عنوان محصولات نا مطلوب واکنش تشکیل گردد.در یک فعالیت اقتصادی ،هدف حداکثر کردن تولید محصول مطلوب می باشد.این امر در صنعت شیمیایی می تواند از طریق دو راهکار زیر محقق گردد.

الف)انتخاب نوع مناسب راکتور و تعیین شرایط مطلوب عملیاتی نظیر دما و فشار

ب)استفاده از کاتالیزور

کاتالیزور ها موادی هستند که سرعت واکنش را اغلب افزایش داده و گاهی نیز در صورت نیاز و بسته به نوع واکنش سبب کاهش سرعت واکنش می گردند.همچنین کاتالیزور ها باعث می شوند واکنش در دماها و فشار های پایین تر انجام شود.کاتالیزور در تحولات شیمیایی بدون تغییر باقی مانده و ماهیت شیمیایی و فیزیکی خود را حفظ می نماید.
اگر در یک راکتور چند واکنش به طور همزمان صورت بگیرد یک کاتالیزور مناسب می تواند سرعت تشکیل و تولید محصول مطلوب را افزایش داده و یا کاهش سرعت واکنش های نا مطلوب از تولید مواد نا خواسته و نامطلوب بکاهد.
راکتور ها بسته به نوع واکنش و نیز هدف از واکنش و همچنین میزان تولید مواد در آن به انوع مختلف ،نظیر راکتور های نا پیوسته ،نیمه پیوسته،پیوسته،راکتور های با جریان قالبی و راکتورهای مخلوط شونده طبقه بندی می گردند.راکتور ها می توانند در شرایط دمایی کم یا زیاد و نیز فشار های خلاء تا فشارهای بالا عمل نمایند.